正交设计在混凝土路面配合比中的应用

阎宾祎

0 引言

张石高速公路石家庄段K10+007～K53+381采用复合式连续配筋混凝土路面结构:6 cm细粒式改性沥青混凝土(AC-13C)+28 cm连续配筋水泥混凝土面板+4 cm细粒式沥青混凝土(AC-13C)+18 cm水泥稳定碎石+16 cm～20 cm级配碎石。复合式路面发挥了连续配筋水泥混凝土路面在承受重载交通和耐久性方面的优势，以及沥青混凝土路面行车舒适、维修方便等优点，体现了两者的互补性和相互依存，是一种“黑白并举，刚柔相济”的新型路面结构。因此，修建高质量的混凝土路面结构至为重要，必须首先设计合理的配合比做前提。本文在高速公路连续配筋混凝土路面配合比正交设计及控制方面分析并做出相应的解决办法。其混凝土配合比设计应当满足四项基本要求:弯拉强度、工作性、耐久性和经济型。设计方法采用正交试验方法，不仅可以取得最佳混凝土配合比，确保混凝土路面质量，也可以降低混凝土成本。

1 原材料的技术指标

原材料质量的优劣直接关系到路面混凝土的工作性和强度效果，特别是水胶比和外加剂及粉煤灰掺量对混凝土的质量影响非常大。

1 )水泥技术指标见表1。

表1 水泥技术指标

2 )细集料各项指标。

a.细集料的技术指标见表2。

表2 细集料的技术指标

b.细集料筛分结果见表3。

表3 细集料筛分结果

3 )粗集料各项指标。

a.粗集料的技术指标见表4。

表4 粗集料的技术指标

b.粗集料筛分结果见表5。

4 )减水剂:河北铁园减水剂采用的是TY-6A引气缓凝高效减水剂。

5 )粉煤灰:粉煤灰是Ⅱ级干排灰，西柏坡电厂。

表5 粗集料筛分结果

2 正交设计内容及正交表的特点

正交设计内容包括正交设计方案及分析试验结果，正交表有两个基本特点:1)均衡分散性;2)齐整可比性。正交表就是根据这两条正交原理，从大量的试验中选出适量有代表性的试验点，编制按规律排列的表格(见表6)。各因素对研究目标的影响程度，即各因素的主次;各因素与研究目标的基本关系，即每个因素水平不同时，研究指标表示如何变化的示意图见图1。

表6 正交表L9(34)

3 正交设计法的基本步骤

3.1 确定考核指标

利用正交设计法探讨水胶比、减水剂、粉煤灰用量这三个参数对混凝土坍落度及强度的影响，并确定抗折强度等级为M5.0，拌合物坍落度为30 mm～50 mm的混凝土配合比。

3.2 挑选因素、挑选水平、制定因素水平表

表7 因素水平表

为满足本次试验目的，选择“水胶比，减水剂掺量，粉煤灰掺量”三个因素，每个因素选择三个水平，制定因素水平表见表7。

3.3 试验方案

试验方案见表8。

表8 试验方案

3.4 试验结果数据表

试验结果见表9。

表9 试验结果数据表

3.5 直观法计算结果

直观法计算结果见表10。

表10 直观法计算结果

3.6 分析计算方法

1 )对各列坍落度、抗压强度平均值K的计算。K1是A，B，C，D因素水平的三次试验结果之和的平均值。2)检验K值计算是否正确。K1，K2，K3之和应等于试验结果平均总和。3)计算各列极差R。由各列的三数中的最大值减去最小值求得。4)判定各因素对考核指标的影响是否显著。表10中空列的极差可用来估计试验极差。将前三列各因素的极差分别与空列的极差相比较，若前者小于或基本等于后者，则说明该因素为“不显著因素”;若前者超过后者较多，则说明该因素为“显著因素”，其水平变化时对试验结果影响很大。

3.7 分析试验结果

指标—因素关系图见图2。

试验结果:

1 )影响坍落度的主次因素顺序:水胶比＞粉煤灰＞减水剂。可选A3B3C2，A3B1C2，A3B2C2，B可选三者任意水平。2)影响抗折强度的主次因素顺序:水胶比＞粉煤灰＞减水剂，可选A3B1C2。3)水胶比主要因素水平变化时，对试验结果影响最大，减水剂次要因素水平变化时，对试验结果影响较小，说明其水平因素可任选。本次试验的组合方案:A3B1C2。即:314∶56∶650∶1 274∶148∶6.66=水泥∶粉煤灰∶砂∶碎石∶水∶减水剂。实测该配合比的坍落度为49 mm，28 d龄期抗折强度为6.8 MPa。

4 施工验证

施工现场采用了配合比(A3B1C2)，即:

水泥∶粉煤灰∶砂∶碎石∶水∶减水剂=314∶56∶650∶1 274∶148∶6.66，在工程中应用，取得了良好的技术、经济效益。

1 )掺粉煤灰后，使得混凝土的和易性得到进一步的改善。

2 )改善了“塌边、溜肩、蜂窝、麻面”现象;混凝土面板平整度得到改善，混凝土用量减少，降低了成本。

3 )通过全线摊铺效果来看，弯拉强度、工作性、耐久性和经济性均达到合格。

5 结语

1 )正交设计法考虑了各种因素不同水平对考核指标的影响，据此可得出规律，便于认识事物的本质。2)正交设计法为分析解决实际问题提供了一种方法。3)在各种领域实践工作中，遇到某些特殊的，尤其是带探索性、研究性质的试验，采用正交设计法往往能达到事半功倍的效果。4)正交试验法，用于公路工程混凝土配合比设计是行之有效的。

［1］ JTG F-2003，公路水泥混凝土路面施工技术规范［S］.

［2］ JTJ/T 037.1-2000，公路水泥混凝土路面滑模施工技术规程［S］.

［3］ 张石高速公路石家庄段路面工程施工招标文件［Z］.石家庄，2007.